声发射检测培训教材

1、 电子发烧友 电子技术论坛特种设备系列教材声 发 射 检 测(试行版)全国特种设备无损检测人员资格鉴定考核委员会二四年八月前 言本书是特种设备安全系列教材之一，主要用于从事对这些设备进行声发射检测I级和II级资格人员的培训，受全国特种设备无损检测人员资格鉴定考核委员会委托编写。本书由沈功田主编。本书主要编写人为沈功田、刘时风、戴光。第1章、第2章、第5章、第6章、第7章第1节和第2节、第8章由沈功田编写，第3章和第4章由刘时风编写，第7章第3节到第5节由戴光编写。在本书的编写过程中，全国考委会的领导以及秘书处给予了有力的支持和全面的帮助，声发射专业委员会的李邦宪、关卫和、霍臻、蒋士良和刘哲军委

2、员参加了教材的讨论，提出了许多很好的建议，并编写了部分试题。由于时间仓促和编者水平所限，书中缺点和错误在所难免，欢迎批评指正。 编 者 2004年8月目录第1章 绪论51.1声发射的概念51.2 声发射技术发展概述51.3 声发射检测的基本原理71.4声发射技术的特点71.5 声发射技术的应用领域9第2章 声发射检测的物理基础102.1 材料和形变102.2 声发射源162.3 波的传播192.4 衰减242.5 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应26第3章声发射波的探测283.1 探测处理转换过程压电效应等283.2 传感器293.3传感器的耦合和安装353.4传感器的分

3、类及用途37第4章声发射检测仪器系统404.1信号电缆404.2信号调理444.3信号探测硬件设置454.4 声发射检测系统474.5数据显示和记录附件50第5章 声发射信号处理方法525.1 经典信号处理方法525.2 定位技术615.3 高级信号处理技术76第6章 声发射检测技术936.1检测仪器选择的影响因素936.2 检测仪器的设置和校准936.3 加载程序976.4 特殊检测的程序976.5 数据显示986.6 噪声源的识别986.7 噪声的拟制和排除996.8 数据解释996.9 数据评价1006.10 报告101第7章 声发射检测技术的应用1027.1 压力容器1027.1.1

4、资料审查1027.1.2 现场勘察1027.1.3 检验方案的制定1027.1.4 传感器的安装1037.1.5 仪器的调试1037.1.6 加载试验过程中的声发射监测和信号采集1047.1.7 声发射数据的分析和源的分类1047.1.8 检验数据记录和报告1057.1.9 应用实例1067.2 压力管道1197.2.1 压力管道的衰减特性测量1197.2.2 压力管道的泄漏声发射信号及定位1207.3 起重机械1237.4 实验室研究1267.4.1 裂纹扩展和断裂力学1267.4.2 环境导致的开裂1307.4.3 位错运动1367.4.4 复合材料的声发射1397.4.5 相变和相稳定1

5、417.4.6 残余应力1477.4.7 其它材料特性应用1507.5 其他结构应用1517.5.1 常压储罐1517.5.2 航空器1557. 5. 3 桥梁1597.5.4 岩体稳定性和地质滑坡监测1667.5.5 阀 门1697.5.6 泄漏探测和监测1727.5.7 焊接过程的声发射监测1747.5.8 转动设备179第8章 声发射检测标准184声发射检测习题集（含答案）186声发射检测习题集196第1章 绪论1.1 声发射的概念材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射(Acoustic Emission, 简称AE) ，有时也称为应力波发射。材料在应力作用下的变形与裂纹

6、扩展，是结构失效的重要机制。这种直接与变形和断裂机制有关的源，被称为声发射源。近年来，流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等与变形和断裂机制无直接关系的另一类弹性波源，被称为其它或二次声发射源。声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20 Hz20K Hz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10-13m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要藉助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信

7、号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。1.2 声发射技术发展概述 声发射和微震动都是自然界中随时发生的自然现象，尽管无法考证人们何时首次听到声发射，但逐如折断树技、岩石破碎和折断骨头等的断裂过程无疑是人们最早听到的声发射信号。可以十分肯定地推断“锡呜”是人们首次观察到的金属中的声发射现象，因为纯锡在塑性形变期间机械栾晶产生可听得到的声发射，而铜和锡的冶炼可追朔到公元前3700年。现代的声发射技术的开始以Kaiser五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意

8、义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。五十年代末，美国人Schofield和Tatro经大量研究发现金属塑性形变的声发射主要由大量位错的运动所引起5, 而且还得到一个重要的结论, 即声发射主要是体积效应而不是表面效应。Tatro进行了导致声发射现象的物理机制方面的研究工作, 首次提出声发射可以作为研究工程材料行为疑难问题的工具, 并预言声发射在无损检测方面具有独特的潜在优势。六十年代初，Green等人首先开始了声

9、发射技术在无损检测领域方面的应用, Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器方面的研究。在整个六十年代, 美国和日本开始广泛地进行声发射的研究工作, 人们除开展声发射现象的基础研究外, 还将这一技术应用于材料工程和无损检测领域。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。 七十年代初, Dunegan等人于开展了现代声发射仪器的研制，他们把实验频率提高到100KHz-1MHz的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室的材料研究阶段走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。随着现代声发射仪器的出现，整个七十年

10、代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录, 据他的统计, 到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇。 八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二

11、代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。进入九十年代，美国PAC公司、美国DW公司和德国Vallen Systeme公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。我国于七十年代初首先开展了金属和复合材料的声发射特性研

12、究，八十年代中期声发射技术在压力容器和金属结构的检测方面得到应用，目前我国已在声发射仪器制造、信号处理、金属材料、复合材料、磁声发射、岩石、过程监测、压力容器、飞机等领域开展了广泛的研究和应用工作。我国于1978年在中国无损检测学会成立了声发射专业委员会，并于1979年在黄山召开了第一届全国声发射学术会议，近年来已固定每两年召开一次学术会议，到目前为止已召开了九届。1.3 声发射检测的基本原理声发射检测的原理如图1.1所示，从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面，引起可以用声发射传感器探测的表面位移，这些探测器将材料的机械振动转换为电信号，然后再被放大、处理和记录。固体材料中内应力的变化

13、产生声发射信号, 在材料加工、处理和使用过程中有很多因素能引起内应力的变化，如位错运动、孪生、裂纹萌生与扩展、断裂、无扩散型相变、磁畴壁运动、热胀冷缩、外加负荷的变化等等。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断以了解材料产生声发射的机制。 放大器 信号采集 记录与显示系统 处理系统 传感器 波的传播 * 源 图1.1 声发射检测原理方框图声发射检测的主要目的是：确定声发射源的部位；分析声发射源的性质；确定声发射发生的时间或载荷；评定声发射源的严重性。一般而言，对超标声发射源，要用其它无损检测方法进行局部复检，以精确确定缺陷的性质与大小。1.4 声发射技术的特点 声发射检测方法在许多方面不同于

14、其它常规无损检测方法，其优点主要表现为： (1) 声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供； (2) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号； (3) 在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态； (4) 可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报； (5) 由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；

15、 (6) 对于在役压力容器的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产； (7) 对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力； (8) 由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。由于声发射检测是一种动态检测方法，而且探测的是机械波，因此具有如下的特点：(1) 声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰，因而，对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验；(2) 声发射检测，一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备；(3) 声发射检测

16、目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。表1列出了声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比。表1 声发射检测方法和其它常规无损检测方法的特点对比声发射检测方法其它常规无损检测方法缺陷的增长活动缺陷的存在与作用应力有关与缺陷的形状有关对材料的敏感性较高对材料的敏感性较差对几何形状的敏感性较差对几何形状的敏感性较高需要进入被检对象的要求较少需要进入被检对象的要求较多进行整体监测进行局部扫描主要问题：噪声、解释主要问题：接近、几何形状1.5 声发射技术的应用领域 目前人们已将声发射技术广泛应用于许多领域，主要包括以下方面：

17、 (1) 石油化工工业：低温容器、球形容器、柱型容器、高温反应器、塔器、换热器和管线的检测和结构完整性评价，常压贮罐的底部泄漏检测，阀门的泄漏检测，埋地管道的泄漏检测，腐蚀状态的实事探测，海洋平台的结构完整性监测和海岸管道内部存在砂子的探测。 (2) 电力工业：变压器局部放电的检测，蒸汽管道的检测和连续监测，阀门蒸汽损失的定量测试，高压容器和汽包的检测，蒸汽管线的连续泄漏监测，锅炉泄漏的监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测。 (3) 材料试验：复合材料、增强塑料、陶瓷材料和金属材料等的性能测试，材料的断裂试验，金属和合金材料的疲劳试验及腐蚀监测，高强钢的氢脆监测，材料的摩擦测试,

18、铁磁性材料的磁声发射测试等。 (4) 民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。 (5) 航天和航空工业：航空器的时效试验，航空器新型材料的进货检验，完整结构或航空器的疲劳试验，机翼蒙皮下的腐蚀探测，飞机起落架的原位监测，发动机叶片和直升机叶片的检测，航空器的在线连续监测，飞机壳体的断裂探测，航空器的验证性试验，直升机齿轮箱变速的过程监测，航天飞机燃料箱和爆炸螺栓的检测，航天火箭发射架结构的验证性试验。 (6) 金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加

19、工过程的碰撞探测和预防。 (7) 交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。(8) 其他：硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程监测，Li/MnO2电池的充放电监测，人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测。第2章 声发射检测的物理基础2.1 材料和形变2.1.1 晶体和非晶体材料的结构所有物体都

20、是由原子构成的。对于固体材料来说，如果原子按一定的规则进行排列，则这些材料被称为晶体材料，比如金属、陶瓷、各种无机盐和各种岩石（包括钻石、矿石）等；如果原子以无序状态进行排列或者原子之间互相形成长链的大分子而大分子以无序状态进行排列，则这些材料被成为非晶体材料，比如玻璃、非晶态金属（由液态经过急冷而产生）和各种有机固体材料（包括塑料、橡胶、木材）等。 大多数金属的典型结晶结构如图2.1至2.3所示。 (a) 分解开的视图 (b)整体视图 (c)简化视图 图2.1 封闭致密六边形 (钴、 锰、钛、锌) 图2.2 面心立方 图2.3 体心立方 (铝、铜、金、铅、镍、银、奥氏体不透钢) （铁、铬、钼

21、、钛、锡、铁素体钢） 晶体中的原子在排列时会有缺陷产生(与焊接缺陷相比，此处为微观缺陷），这些缺陷包括图2.4所示的点缺陷和图2.5所示的线缺陷，人们又将线缺陷称之为位错。位错是晶格中原子范围大小的线缺陷，结晶中的位错是由熔融状态下固化过程中形成的，典型的工程应用金属材料在每个微观的晶粒中就有几百万个位错，位错有两种不同的型式：刃型位错与螺型位错（如下图2.5所示）。 a）空位 b）间隙原子 c）点缺陷 d）杂质原子图2.4 晶体中的点缺陷 a）刃型位错 b）螺型位错图2.5 晶体中的线缺陷位错金属大多为多晶体材料，典型晶粒的大小为几微米到几百微米之间，晶粒之间的界面称为晶界。,在晶粒内部，有

22、可能存在各种不同材料的微小的夹杂物，例如，铁素体钢中的部分碳可以形成Fe3C（碳化铁），它具有自已的结晶结构，并在局部位置上代替了铁素体晶格。夹杂对金属的机械性能具有非常大的影响。图2.6为金属的晶粒结构图。 图2.6 金属的晶粒结构图2.1.2 应力和应变当我们对任何一个结构施加作用力（载荷），或对任何一个容器进行加压时，就会在材料中产生应力。应力的定义是材料单位面积上所受的作用力，根据物体的结构和加载方式的不同，物体内出现的应力状态也不同，分别有拉应力、压应力和剪切应力，如图2.7所示。实际物体结构中的应力要复杂得多，通常是这三种应力的组合。当我们只通过某个指定点在物体上施加作用力时，也会

23、产生通过整个结构的作用力，而且物体内各点的大小和方向是不一样的，由此人们将物体内的应力称为应力场，数学上通常将应力场用如下应力张量来描述： Txx Txy Txz Tyx Tyy Tyz Tzx Tzy Tzz (a)拉应力 (b) 压应力 (c) 剪切应力 图2.7 应力状态示意图应力所产生的变形称为应变，应变通过分数或百分数表示如下：图2.8 圆柱形压力容器的应力 在应力和应变很小的条件下，固体材料是弹性的性质，而且应力与应变成比例： C当作用应力达到较高值的条件下，材料将会发生塑性（永久的）变形。L应力的单位与压强的单位相同：Kg/cm2 和 MPa。圆柱形压力容器如图2.8所示，内压力

24、P作用下的薄壁圆柱形压力容器筒体承受两个方向的拉伸应力，即轴向应力L和环向应力C：L = C = 2.1.3 弹性和塑性变形材料在应力作用下的行为如图2.9所示。在低应力状态下为弹性变形，即当应力消逝后，材料的变形也将消逝。在材料的应力超过屈服点之后，材料将产生塑性变形，即永久变形，此时即使材料的应力全部解除，材料也不能回复到原来的状态。加工硬化屈服钢铝弹性复合材料应变(伸长) 应力(载荷) 图2.9 材料的应力应变曲线金属的塑性变形分别由位错运动和孪生变形所引起。晶体内位错运动在原子尺度上引起晶格变形的机理如图2.10所示，图a）位晶体中的韧位错，图b）为剪切力作用下位错移动1个晶格的空间距

25、离，图c）为位错已运动到晶体的边缘。 a） b） c）图2.10 韧位错运动产生晶格变形的机理 晶体材料在应力作用下大量位错运动的结果将导致材料产生如下的结果： 滑移 屈服 留德尔斯线（钢） 裂纹尖端塑性区 空隙增长和聚结 韧性斯裂孪生变形是在晶粒大小范围内整个晶格截面取向改变为两个完全相同的“孪生”（镜面）晶体。孪生产生较高幅值的声发射，孪生发生在锡、锌、钛中，但不发生在钢与铝中。图2.11为晶体中孪生产生的示意图。 图2.11 晶体中孪生产生的示意图 2.1.4 裂纹增长和断裂 (1) 裂纹和应力内部带有裂纹的材料在受到应力作用时，应力场必定要“围绕着”裂纹的边界产生集中。应力的集中作用将

26、使裂纹尖端的材料产生变形，甚至破坏，而这时材料的其它部位还都处于强性范围以内。图2.12给出了有裂纹材料和无裂纹材料的应力场分布示意图。由此，就解释了为什么裂纹是强的声发射源，而且在材料整体处于弹性范围时，裂纹和类似的缺陷确已经产生了声发射信号。 a）无裂纹的材料 b）带有裂纹的材料图2.12 裂纹周围的应力场分布图 (2) 临界和亚临界裂纹扩展 “临界”是指达到这一点后，裂纹将很快地前进扩展，并且迅速地使部件断裂。已经证明，在裂纹尖端附近的应力场达到一定值的条件下，裂纹将发生很快的扩展。裂纹尖端附近应力场的强度通过“应力强度因子”K来描述，K值与作用在部件上的载荷和裂纹的大小有关。K的临界值

27、就是用于裂纹张开的力，在这个力的作用下裂纹将很快扩展，同时部件将立刻断裂，用KIc来表示K的临界值，通常用于衡量材料的断裂韧性。如果已知某种材料的断裂韧性以及在部件中所设定的应力场，根据上述的概念就能够计算临界裂纹的尺寸。在无损检测试验的实际工作中，我们经常遇到的问题就是能否检测到一定大小的裂纹，因此上述计算临界裂纹大小的概念正好与检验的实践相结合。“亚临界”裂纹扩展就是发生在裂纹临界扩展发生以前的扩展。能引起亚临界裂纹扩展的条件下如下： a) 不断上升的载荷作用 b) 疲劳（循环或重复载荷） c) 应力腐蚀开裂 d) 氢脆开裂 e) 腐蚀疲劳在评定裂纹是否将要扩展以及将要以什么速度扩展过程中

28、，环境效应通常是很重要的因素。在亚临界裂纹扩过程中，声发射主要来自于两种声源：a) 塑性区、主开裂和夹杂的脱层；b) 裂纹前沿本身的向前运动。(3) 裂纹扩展的形式多晶体材料的断裂，可分为脆性断裂和韧性断裂；而在金属组织晶粒的尺度上又分为沿晶断裂和穿晶断裂；从断口的形貌来看又可分为解理断裂和疲劳断裂等。图2.13至2.18分别给出了这些断裂方式的示意图。 图2.13 脆性沿晶断裂 图2.14 塑性沿晶断裂 图2.15 拉应力作用下的塑性穿晶断裂 图2.16 切应力作用下的塑性穿晶断裂A 低应力-韧性B 低应力-脆性C 高应力A 初始解理B 二次解理C 晶间断裂 图2.17 解理断裂 图2.18

29、 疲劳断裂 2.2 声发射源人们经过近40年的研究已经查明材料中有许多种机制可以产生声发射源。声发射的能量一般由外加负载、相变潜热、外加磁场等来提供。现在人们所提出的大量声发射源模型大致可分为两大类, 一类将源看作一个能量发射器, 并用应力应变等宏观参量来得到这一问题的稳定解, 叫稳态源模型。另一类是应用局域在源附近随时间变化的应力应变场，计算与源的行为有关的动力学变化，叫动态源模型。图2.19给出一个稳态源模型的声发射源事件的能量分配过程。对于裂纹增长这样一个事件, 释放的能量仅有一部分转变为弹性波, 其它大部分转变为新界面的表面能、晶格应变能和热能。由图可见，如能测得源事件发射的弹性波能量

30、和确定能量分配函数，就可以算出源事件的能量，这将提供了解材料微观断裂过程的一种方法。然而，由于受源周围环境、能量释放速率、材料纵波和横波波速不同、表面波的色散等因素的影响，每个源的分配函数互不相同，探测器测量到的弹性能量随不同的位置而变化。分配过程 晶格应变能 源事件应变能释放 新断口表面能 热能 弹性波能图2.19 裂纹扩展期间释放应变能的分配过程2.2.1 突发和连续声发射材料内产生的声发射信号具有很宽的动态范围，其位移幅度可以从小于10-15 m到10-9m, 达到106量级（120dB）的范围。另外声发射信号的产生率也是变化无常的，所以目前人为地将声发射信号分为突发和连续发射。如果声发

31、射事件信号是断续，且在时间上可以分开，那么这种信号就叫突发声发射信号，如图2.20所示；如果大量的声发射事件同时发生,且在时间上不可分辨，这些信号就叫做连续声发射信号,如图2.21所示。实际上连续型声发射信号也是由大量小的突发型信号组成的，只不过太密集不能单个分辨而已。 图2.20 突发声发射信号 图2.21 连续声发射信号2.2.2 晶体材料中的声发射源人们经过近40年的研究已经查明晶体材料中的声发射源如表2.1所示。表2.1 晶体材料中的声发射源 单位错运动 位错湮灭 位错群运动 滑移变形 位错源开动 塞积位错解脱 滑移带形成 金属塑性变形 晶界滑动 应力感生栾生变形 栾生变形 弹性栾生

32、孪生带的扩展 空洞聚合 裂 纹 形 成 微裂纹形成 应力腐蚀开裂 氢致裂纹开裂 升载时裂纹扩展 恒载时裂纹扩展晶体材料 断裂 裂纹亚临界扩展 疲劳裂纹扩展 应力腐蚀裂纹扩展 氢脆裂纹扩展 裂纹失稳扩展 钢中非金属夹杂物 第二相质点或 钢中碳化物 夹杂物断裂或脱开 铝合金中时效相 焊接夹渣 马氏体相变 相变 贝氏体相变 共晶反应 凝固、熔化与沸腾 磁效应 磁畴运动2.2.3 非金属材料中的声发射源人们进行声发射研究和应用的非金属材料主要为岩石、玻璃和陶瓷，由于这些材料均为脆性材料，其强度很高，但韧性很差，因此其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂。2.2.4复合材料中的声发射源复合材料是由基体材料

33、和分布于整个基体材料中的第2相材料所组成的。根据第2相材料的不同，复合材料分为3类：扩散增强复合材料、颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料。与常规材料相比，复合材料具有强度高、疲劳性能和抗腐蚀性能好等优点，而且容易制造出结构较复杂的部件。扩散增强和颗粒增强复合材料的声发射源主要包括：基体开裂和第2相颗粒和基体的脱开。而纤维增强复合材料中的声发射源主要包括以下6类：基体开裂纤维和基体的脱开纤维拔出纤维断裂纤维松弛分层摩擦 到的声发射源如图2.22所示。图2.22 纤维增强复合材料中的声发射源2.2.5其它源 在声发射检测过程中有可能经常遇到的其它声发射源如下：流体介质的泄漏氧化物或氧化层的开裂夹渣

34、开裂摩擦源液化和固化元件松动、间歇接触流体和非固体裂纹闭合2.3 波的传播 材料对于不平衡动态力的响应就是弹性波传播。波的定义就是材料离开平衡位置的运动。 固体介质中局部变形时, 不仅产生体积变形, 而且产生剪切变形, 因此将激起两种波, 即压缩波（纵波）和切变波（横波），它们以不同的速度在介质中传播，当遇到不同介质的界面时会产生反射和折射。任何一种波在界面上反射时都要发生波型转换，同时出现纵波和横波，并各自按反射和折射定律反射和折射。在全内反射时也会出现非均匀波。在固体自由表面还会出现沿表面传播的表面波。因此，声发射波的传播规律与固体介质的弹性性质密切相关。 波的理论研究中分别对点声源理论（

35、圆形波前）、平面波理论（直线波前）、连续振荡波理论和短脉冲理论进行了研究。在波的理论研究中进行了大量的“假设条件”，通过简化几何条件才得到了数学的“波方程的解”。我们应用这些理论尽量来理解实际应用中所遇到的情况。但是，在实际应用中很少能遇到像上述理论中所假设的“简单几何条件”。因些，这些理论也只不过是我们对实际情况的一种初步近似而已。2.3.1 近场脉冲响应 图2.23所示为点加载脉冲源在材料表面上产生的位移迅速变化的示意图，这是理论与实验相符的唯一的情况。这一情况对声发射技术是十分有意义的，它通常用于声发射传感器的预标定。图2.23点脉冲加载的源点力阶跃脉冲力源F0H(t)作用于板时，板表面

36、将产生相当复杂的运动。Knopoff给出了在力作用点对面的垂直方向质点位移:式中，w=at/b 、y=bt/b、 a=b/a，而b是切变波速度、a是纵波速度、 m 为剪切模量、b为板厚。式中括号内第一项是纵波贡献分量，而第二项是横波贡献，在板中来回反射的波的贡献（第三项之后）在式中略去。其中，最先到达的纵波（P波）的幅度为： 对于具有一般形状的短脉冲力源f（t），该处的速度响应为：可以看出，纵波的速度响应与力的变化率成正比，而切变波的速度响应与力的大小成正比。由此获得的厚板正对力源位置的垂直位移应当有如图2.24所示的形状，其纵坐标归一化到F0/2pmb。 SP 图2.24 表面阶跃力源在厚板

37、对面产生的垂直位移。 P、S分别相应于纵波、横波到达时刻2.3.2 波的传播模式声发射波在介质中的传播，根据质点的振动方向和传播方向的不同，可构成纵波、横波、表面波、兰姆波等不同传播模式。纵波（压缩波）：质点的振动方向与波的传播方向平行，可在固体、液体、气体介质中传播，如图2.25所示。横波（剪切波）：质点的振动方向与波的传播方向垂直，只能在固体介质中传播，如图2.26所示。表面波（瑞利波）：质点的振动轨迹呈椭圆形，沿深度约为12个波长的固体近表面传播，波的能量随传播深度增加而迅速减弱，如图2.27所示。兰姆波：因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹

38、运动，按质点的振动特点可分为对称型（扩展波）和非对称型（弯曲波）两种。 质点运动的方向 波传播的方向l = 波长 A压缩区域 B反射区域图2.25纵波的传播图2.26 横波的传播波的传播方向质点运动方向波长图2.27 表面波的传播2.3.3 模式转换、反射和折射在固体介质中，声发射源处同时产生纵波和横波两种传播模式。它们传播到不同材料界面时，可产生反射、折射和模式转换。两种入射波除各自产生反射（或折射）纵波与横波外，在半无限体自由表面上，一定的条件下还可转换成表面波，见图2.28。厚度接近波长的薄板中又会发生板波。厚度远大于波长的厚壁结构中，波的传播变得更为复杂，其示意见图2.29。O一波源

39、L纵波 S一横波 R表面波图2.28 波的反射与模式转换O波源 L纵波 S横波 R表面波图2.29 厚板中传播示意图声发射波经界面反射、折射和模式转换，各自以不同波速、不同波程、不同时序到达传感器，因而，波源所生一尖脉冲波到达传感器时，可以纵波、横波、表面波或板波及其多波程迟达波等复杂次序，分离成数个尖脉冲或经相互叠加而成为持续时间很长的复杂波形，有时长达数ms。在钛合金气瓶上，对铅笔芯模拟源的响应波形一例如图2.30所示。除外，再加上后述传感器频响特性及传播衰减等的影响，信号波形的上升时间变慢，幅度下降、持续时间变长、到达时间延迟、频率成份向低频偏移。这种变化，不仅对声发射波形的定量分折，而

40、且对波形的常规参数分析也带来复杂的影响，应予以充分注意。图2.30 波形的分离与持续2.3.4 材料中的波速波的传播速度，是与介质的弹性模量和密度有关的材料特性，因而不同的材料，波速也不同。不同的传播模式也具有不同的传播速度。在均匀介质中，纵波与横波的速度分别可用下式表达。； 式中 Vt 纵波速度；ut 横波速度；s 泊松比；E 杨氏模量；G 切变模量；r 密度。在同种材料中，不同模式的波速之间有一定比率关系。例如，横波速度约为纵波速度的60%，表面波速度约为横波的90%。纵波、横波、表面波的速度与波的频率无关，而板波的速度则与波的频率有关，即具有频散现象，约分布在纵波速度和横波速度之间。在实

41、际结构中，传播速度还受到诸如材料类型、各向异性、结构形状与尺寸、内容介质等多种因素的影响，因而传播速度实为一种易变量。传播速度，与波的频率和波长成正比，等于频率与波长的乘积。 波速频率´波长 （C = f ´ l） 常用材料的波速如表2.2所示。表2.2 声速和声阻抗表材料纵波横波声阻抗kg/m2.s速度Km/sec声阻抗kg/m2.s速度Km/sec空气0.000430.33水1.481.48油（SAE30）1.51.7铝17.36.38.53.1铁45.45.925.03.2铸铁34.64.519.22.5钢46.05.925.33.23302不锈钢45.55.5625

42、.03.122.3.5 几何效应 被检试件或构件的几何形状对波的传播有很大的影响，可以产生衍射、反射和折射等，并最终引起波的衰减或叠加。图2.31所示为小试件中的共振波形。传感器 图2.31 试件中的共振波 2.4 衰减 衰减就是信号的幅值随着离开声源距离的增加而减小。衰减控制了声源距离的可检测性。因此，对于声发射检验来说它是确定传感器间距的关键因素。 引起波衰减的原因有很多种，尤其与决定波幅度的物理参数有关。引起波幅下降的衰减机制也有多种，但并非所有的衰减机制都引起能量的损失，某些衰减机制仅引起波的传播模式转变和能量的重新再分布，并无实际的能量损失。下面是波传播的几种主要衰减因素:1) 几何

43、衰减: 当波由一个局域的源所产生时，波动将从源部位向所有的方向传播。即使在无损耗的介质中，整个波前的能量保持不变，但散布在整个波前球面上，随着波传播距离的增加，波的幅度必定下降。2) 色散衰减: 色散是在某些物理系统中波速随频率变化引起的一种现象。由于实际的声发射信号包括多种频率的分量，而波速为频率的函数，波包中不同频率的分量在介质中将以不同的速度传播，因此随着波传播距离的增加，波包的幅度将下降。 3) 散射和衍射衰减: 波在具有复杂边界或不连续(如空洞、裂纹、夹杂物等)的介质中传播将与这些几何不连续产生相互作用产生散射和衍射现象。由于波的散射和衍射都能导致波幅下降(某些情况下增加), 两种情

44、况都可引起波的衰减。最常见的散射原因之一是某些材料中不均匀晶粒引起的。例如粗晶结构的铸铁对1MHz以上频率范围的波产生明显的散射, 由散射引起的衰减也是十分显著的。4) 由能量损耗机制（内摩擦）引起的衰减: 在上述讨论的波的衰减机制中, 如果固体为弹性介质, 所有波(原始波、反射波、散射波、衍射波、色散等)的总机械能保持不变。然而，在实际的介质中，波传播的总机械能不能保持不变，而是逐渐衰减。由于热弹效应，机械能可以被转变为热能。如果应力超过介质的弹性极限，塑性变形也引起机械能的损失。裂纹扩展将波的机械能转换为新的表面能，波与介质中位错的相互作用也可引起能量的损失和衰减。塑性材料的粘性行为、界面

45、之间的摩擦和复合材料中非完全结合的夹杂物或纤维都能引起波的能量损耗和衰减。磁弹相互作用、金属中的电子相互作用、顺磁电子或核子的自旋机制等都能引起波的能量损失和衰减。无论上述那一种机制引起机械能的损耗，波的幅度都将随波通过介质中的传播而下降。5）其它因素：相邻介质“泄漏”，即由于波向相邻介质“泄漏”而也造成波的幅度下降，例如，容器中的水介质， 障碍物，即容器上的接管、人孔等障碍物也可造成幅度下降。实际结构中，波的哀减机制很复杂，难以用理论计算，只能用试验测得。例如，在被检件表面上，利用铅笔芯模拟源和声发射仪，按一定的间距测得幅度（dB）距离（m）曲线。图2.32给出了长12.2m，内径1.2n，

46、厚度12.5mm的压力容器封头上，用不同频率测得的幅度一距离曲线。由图中可见随着频率的增加内摩擦也增加，衰减加快。传播衰减的大小，关系到每个传感器可监视的距离范围，在源定位中成为确定传感器间距或工作频率的关键因素。在实际应用中，为减少衰减的影响而常采取的措施包括：降低传感器频率或减小传感器间距，例如，对复合材料的局部监视通常采用150kHz的高频传感器，而大面积监视则采用30kHz的低频传感器，对大型构件的整体检测，可相应增加传感器的数量。图2.32 压力容器衰减曲线2.5 凯塞(Kaiser)和费利西蒂(Felicity)效应2.5.1 凯赛尔效应材料的受载历史，对重复加载声发射特性有重要影

47、响。重复载荷到达原先所加最大载荷以前不发生明显声发射，这种声发射不可逆性质称为凯赛尔效应。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的凯赛尔效应。但是，重复加载前，如产生新裂纹或其它可逆声发射机制，则凯赛尔效应会消失。凯赛尔效应在声发射技术中有着重要用途，包括：在役构件的新生裂纹的定期过载声发射检测：岩体等原先所受最大应力的推定：疲劳裂纹起始与扩展声发射检测，通过预载措施消除加载销孔的噪声干扰，加载过程中常见的可逆性摩擦噪声的鉴别。2.5.2 费利西蒂效应和费利西蒂比材料重复加载时，重复载荷到达原先所加最大载荷前发生明显声发射的现象，称为费利西蒂效应，也可认为是反凯赛尔效应。重复加载时的声发射起始载荷（PAE）对原先所加最大载荷（Pmax）之比（PAEPmax），称为费利西蒂比。费利西蒂比作为一种定量参数，较好地